基于軟交換的鐵路應急指揮通信系統研究

楊東明

*中國鐵路通信信號北京工程分公司 工程師，100070 北京

鐵路應急指揮通信系統是從原有的調度通信系統發展而來，是基于語音的電路交換系統，在配置和使用上不夠靈活，并且與其他系統交互操作難以實現和擴展。如果采用純IP結構的軟交換系統，可以發揮軟交換的全業務、易互聯、可擴展的優勢，將原有的語音通信系統、調度系統、視頻圖像系統統一到一個平臺，實現事發現場、指揮分中心、鐵道部指揮中心、社會應急指揮中心及鐵路自動網 (PSTN)、數字調度網、GSM-R網、117人工臺之間實時的語音雙向通信，調度指揮更加方便快捷。另外，使用軟交換技術，還可以將系統模塊化分組，配置更加靈活，滿足不同用戶的需求。由于軟交換系統的接口可以自由擴展，考慮目前鐵路系統的各種接入條件，可以按照實際需求接入現有的各種通信設備。在系統功能設計方面，除了完成基本的語音業務互聯互通，還可以滿足多種增值業務功能，而且可以根據需求變化進行修改和添加。

1 結構和功能

鐵路應急指揮通信系統采用軟交換技術，整個系統的設計基于全IP構架，對視頻、語音、圖像、數據業務進行統一管理和存儲，保證了產品技術上的先進性，實現了應急搶險視頻、圖像、語音、數據各種業務需求;整個系統業務配置靈活，有良好的擴展性，也保證了整個系統的完整性，使應急搶險的視頻、圖像、語音、數據幾種業務有機的融合。

系統結構分為應急指揮中心、二級應急指揮分中心和事發現場設備3層，如圖1所示。應急指揮通信中心位于系統的頂層，要完成對各個分中心的業務控制和管理，負責各分中心之間的地址解析，同時具備各分中心通信服務器功能。

應急指揮中心主要由通信服務器和調度指揮臺2個功能模塊組成。

圖1 應急系統結構圖

通信服務器由軟交換平臺和媒體網關組成。軟交換平臺主要完成呼叫控制和處理、協議、業務提供、業務交換、操作維護、話單記錄 (CDR)及與其他網絡互通等功能。媒體網關完成與PSTN、數字調度網、GSM-R、117人工網的信令呼轉和具體語音業務的執行，具有用戶或網絡接入、接入核心媒體網絡、媒體流的映射、受控操作和管理等功能，并承擔各個方向上語音互聯互通的基本業務及各種附加的增值業務。

調度指揮臺提供2路以上的電話語音業務，具有直觀、簡單便捷的人機交互界面，可完成調度指揮所需的各種特殊功能。

2 設計和技術

2.1 異構網絡下號碼動態匹配

按照鐵路應急技術體制的要求，一個中心(分中心)系統，可能配置數十個甚至上百個應急現場接入設備，按照每200 km設置1～3套的原則配備在鐵路沿線。當有應急事件發生時，就近的應急設備被快速運送至事發現場，架設開通后提供應急救援所必須的語音、視頻、數據業務。由于現場接入設備何時、何地開通是不定的，如果現場接入設備的8個語音終端電話號碼 (用戶名稱)直接作為應急現場的應急電話號碼，是無法實現與應急中心、數字調度網、自動網、GSM-R網、117人工臺之間的雙向直接呼入、呼出功能，因此系統對每個分中心預先配置，并對外公布2～3組應急號碼，無論哪套設備開通，均使用應急號碼進行直接的呼入呼出通信。

同時，鐵路既有的通信網絡中數字調度網、自動網是物理隔離的2個專用網絡，2個網絡之間要互通必須遵循嚴格的互通規則。而鐵路應急系統的要求是與2個網絡都能直接呼入、呼出，同時又要求不能破壞2個網絡現有的互通規則。

為此，建立了一個基于機器學習理念的智能匹配模型，采用了自動偵測設備狀態、號碼動態映射分配、路由規則分段智能匹配等技術。經驗證結果表明，系統完全能夠滿足應急指揮通信系統設備開通的號碼、時間、地點的隨機性，以及一機多號、一號多機等各種特殊需求，且路由規則可以按需靈活配置，完全滿足了鐵路應急語音調度指揮的業務需求。

2.2 多路混音質量

基于VoIP的語音應用中，目前常用的多種混音算法都有缺陷，比如音量忽大忽小，語音效果不甚理想，弱信號難以識別等問題，很難滿足大規模會議調度的需求。為此，設計基于非均勻波形收縮的混音算法。

混音路數及各路語音信號強度都是時間t的函數。混音權重與時間無關，意味著它必須與混音路數和語音強度無關。G.711規范中采用分段量化規則，是基于在語音信號中低強度信號比高強度信號出現幾率更高的事實。非均勻波形收縮算法可同樣基于這一事實，采用分段收縮規則，對線性疊加后的采樣數值進行收縮，以保證不出現溢出。低強度信號采用較大的權重以確保信號的可識別性，同時獲得一定的收縮比例;而高強度信號采用較小的權重，以確保得到相應的收縮比例，也保證一定的可識別性。

系統設計提出與時間t無關、基于優先權和信號強度的多維權重向量的多方混音算法。在混音權重向量中引入用戶優先權，提升高優先權用戶的語音信號強度。測試運行表明，本項目使用的混音算法，復雜度為O(n)，具有較強的可行性，對于會議參與人數不敏感，混音后的語音質量清晰。

應急系統中對于混音算法有著特殊的要求，如重要與會者和緊急事件，應該優先考慮其傳輸播放的清晰度和辨別度，給予一定優先權，保證重要信息不要流失或被掩蓋。

2.3 視頻實時性保障

為實現現場視頻能夠在應急指揮中心 (分中心)清晰流暢地實時顯示，必須保證視頻服務器的分發實時性。為此，在視頻分發設計中，采用了多級動態緩沖技術，在視頻流接收、轉碼和發送3個環節分別定義了一個數據緩沖池，系統能偵測3個數據緩沖池的工作狀態，并自動進行智能處理，在接收和轉發之間形成一個動態平衡，保證數據快速而又正常地接收和轉發。該方法的應用大大增加了程序對數據流的負載能力，同時增強了視頻分發各模塊的處理穩定性。

2.4 異常情況處理

在服務器和客戶端以及服務器之間異常情況發生時，需要使用某種機制保障異常狀態可以被雙方感知。系統設計中，在服務器和客戶端之間單獨設計一個心跳保活模塊，用于監聽雙方的狀態。客戶端因為有多個線程，每個線程要做到不互相干擾，采用了每個模塊一個心跳線程的方式。對于服務器端，采取了集中管理心跳包的方法，用同一個端口來監聽發自客戶端或者服務器的心跳包，一旦一方出現異常情況，另一方可以在很短時間內知道，從而釋放資源，退出當前的中斷線程。運用該方法能有效地處理客戶端或者服務器發生異常的情況，保障了整個系統工作的穩定性。

3 現場應用

根據上述設計制作出來的原型系統，從2009年2月起，在西安鐵路局調度中心和管內寧西線的丹鳳站上、下行區間進行了多次應急指揮實驗，包括語音應急指揮、視頻圖像瀏覽、數據實時傳輸等業務，實驗環境分別選擇了橋梁、隧道、長區間通信等，在各種環境下系統都能夠做到語音、圖像清晰，傳輸穩定，業務功能自由切換，達到了設計目標。